시간결정이란 안정된 물체가 시간에 걸쳐 변화하지 않는다는 물리학의 규칙을 깨고 에너지의 출입이 없는 기저상태에서도 운동을 반복하는 물질의 상태입니다. 한때는 시간결정은 실현 불가능이라고도 생각되어 왔지만 최근에는 시간결정의 작성이나 시간결정이 진동하는 모습의 촬영 등에 성공했습니다. 새롭게 영국이나 핀란드 등으로 이루어진 연구팀이 시간결정을 15분 이상 계속 관찰한다는 실험에 성공했다고 보고했습니다.
Nonlinear two-level dynamics of quantum time crystals | Nature Communications
https://doi.org/10.1038/s41467-022-30783-w
Nonlinear two-level dynamics of quantum time crystals - Nature Communications
Recent work has reported a realization of a time crystal in the form of the Bose-Einstein condensate of magnons in superfluid 3He. Here, the authors study the dynamics of a pair of such quantum time crystals and show that it closely resembles the evolution
www.nature.com
Time crystals “impossible” but obey quantum p | EurekAlert!
https://www.eurekalert.org/news-releases/954258
Time crystals “impossible” but obey quantum physics
Scientists have created the first ”time-crystal” two-body system in an experiment that seems to bend the laws of physics. A ”two-level system” is a basic building block of a quantum computer. Time crystals could be used to build quantum devices tha
www.eurekalert.org
2012년 매사추세츠 공과대학의 물리학자 프랭크 윌체크 씨가 제창한 개념인 '시간결정'은 안정된 물체가 시간에 걸쳐 변화하지 않는다는 물리학의 법칙 'time-translation symmetry(시간 병진 대칭성)'를 깨는 존재입니다.
예를 들어 안정된 기저상태에 있는 얼음은 변화하지 않고 온도나 압력 등 외부의 요인에 의해 불안정해졌을 때만 변화합니다. 그러나 시간결정은 안정된 기저상태에서도 변화하고 외부와의 에너지의 출입이 없는데도 원자가 진동하거나 회전하는 움직임을 영구적으로 유지하는 것이 가능합니다.
영국 랭커스터대학의 물리학자이자 이번 연구팀을 이끈 Samuli Autti 씨는 "영구기관은 불가능하다고 모두가 알고 있습니다. 그러나 양자물리학에서는 눈을 감고 있는 한 영구운동이 가능합니다. 이 균열을 몰래 빠져나가면 우리는 시간결정을 만들 수 있다”고 말합니다.
Autti 씨의 연구팀은 시간결정에 대한 에너지의 출입을 없애기 위해 헬륨의 동위원소인 헬륨 3을 거의 절대영도의 초저온으로 냉각시킨 초유동체 안에 시간결정을 만들었습니다. 초유동쌍은 점성이 0이기 때문에 마찰로 인해 운동에너지가 손실되지 않아 시간결정을 관찰할 수 있다는 것.
그리고 연구팀은 초유동쌍의 내부에 상호작용하는 2개의 시간결정을 만들어내고 약 1000초(약 17분)라는 기록적인 시간에 걸쳐 계속 관찰하는 데 성공했습니다. 이것은 시간결정의 원자진동 차원에서 매우 오랜 시간이라고 할 수 있습니다.
게다가 이번 실험에서는 2개의 시간결정이 링크해 한쪽의 진동을 다른 한쪽으로 이동시킬 수도 있었다고 합니다. 핀란드 아르트대학의 연구자인 Jere Mäkinen 씨는 “실험 중 우리는 두 시간결정의 주파수를 공차시킬 수 있었습니다. 양자의 주파수가 같아지자 상호작용해 진폭의 일부가 다른 결정으로 이동했다”고 설명했습니다.
복수의 시간결정을 링크시키는 작업은 양자컴퓨터의 구축에도 도움이 된다고 알려져 이번 연구결과는 양자컴퓨터의 연구에도 도움이 됩니다. 덧붙여 이번 실험에서는 극단적으로 찬 초유동체를 이용했지만 과거의 연구에서는 시간결정이 실온에서 존재할 수 있다는 사실도 확인되어 실온에서 동작하는 양자컴퓨터 개발도 기대되고 있습니다.
또한 함부르크대학 레이저물리학연구소의 팀은 2022년 6월 9일에 발표한 논문에서 시간 병진 대칭성을 자발적으로 깨는 시간결정의 실현에 처음으로 성공했다고 보고했습니다.
Researchers observe continuous time crystal
https://phys.org/news/2022-06-crystal.html
Researchers observe continuous time crystal
Researchers from the Institute of Laser Physics at Universität Hamburg have succeeded for the first time in realizing a time crystal that spontaneously breaks continuous time translation symmetry. They report their observation in a study published online
phys.org
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